边坡变形失稳是在各种内外因素共同作用下逐渐发展的,一般可划分为平稳、缓增启动、变形加速、失稳或收敛趋稳和变形稳定等阶段。变形加速后如果影响因素消失或采取了及时有效的工程措施,则将进入收敛趋稳阶段,达到新的稳定平衡;反之,则变形进一步加速发展,进入失稳破坏阶段。
边坡处于稳定状态时,各监测效应量随时间的变化均比较平缓。当边坡处于非稳态条件时,会以变形的方式进行调整,在变形缓增启动阶段,各监测效应量随时间的变化逐渐增加,规律开始趋向一致,此阶段时间长短不一,在后期一般出现变形异常拐点,但现象易被忽视,且较难发现。成果分析时应注意对各项资料进行相关分析,对数学模型在时间序列上适当后延,结合地质宏观调查和其他类似工程经验综合判识,力争及时捕捉到变形异常启动点。此阶段采取有针对性的工程处理措施是最佳时机,有效且经济。随着边坡变形的进一步发展,自身抵抗变形的能力不断削弱,时间效应,上变形速率继续增大,此时各监测效应量随时间的变化斜率变陡或突变,出现加速突变点,进入变形加速阶段。在本阶段边坡局部开始出现宏观变形失稳迹象(诸如裂缝出现、局部坍塌等),实施工程处理措施已错过最佳启动时机,工程治理难度有所加大,一般均直接进入抢险程序,导致工程造价增加。出现突变后边坡变形仍将持续发展一定阶段,若外部因素得以改变(例如雨季结束、工程措施有效实施等),则变形会逐渐趋缓,出现减速收敛点,进入变形收敛阶段,表明所采取的边坡治理措施有效且已逐步发挥作用,否则应重新审视措施的有效性。为满足边坡最终的稳定安全要求,在变形收敛阶段,一般尚需继续完善治理,随着有效的工程治理措施进一步发挥作用,边坡变形进一步收敛,出现收敛稳定点,步入新的稳定阶段。根据边坡的特性(如岩土性质),可能出现持续时间长短不一的时效变形。
如果变形得不到抑制,当变位总量或速率大于临界值时,边坡将失稳破坏,出现整体宏观失稳表象(如滑坡体前后缘裂缝贯通错台、侧缘形成并剪错、地下水出露点水体变混浊),甚至整体性塌滑或滑坡。
在对监测数据进行初步分析及定量正、反分析的基础上,必然要对边坡安全进行评价,这就涉及监测效应量的控制标准(即监控指标)问题。监控指标可通过监测量的数学模型、考虑一定的置信区间、构成实用的监控表达式求得,也可根据数学模型代入可能最不利原因量组合、推求出极限值来表达,还可以采用被监测对象的稳定、强度等安全度的反算来求出监测效应量的临界值。但由于边坡工程的复杂性和各种因素的不确定性,地质条件概化困难、失稳机理不同,目前边坡监控指标更多地局限在定性判据方面的研究,很难制定统一的失稳评判准则,且通用性较差。
1.监测效应量判识
边坡失稳一般是个渐进过程,它总是在各种内外因素共同作用下,最终在边坡表部出现一些宏观的特征,通过巡视检查,可以作为判断边坡出现失稳的征兆之一。
(1)边坡滑动范围的前后缘裂缝贯通且有错台,侧缘形成且剪错变形。
(2)边坡滑动范围的前缘出现坍塌、滚石现象,湿地增多。
(3)边坡岩石发出响声,甚至冒气(似冒烟)。
(4)地下水出露点水体变混浊、地表水沿裂缝很快漏失、原有泉水干涸、新的泉水点出现等。
2.变形总量
边坡处于非稳态条件时,会以变形的方式进行调整。变形增大时,支护锚索的荷载会增加,当荷载超过某个临界值后,锚索会失效。当失效的锚索较多时,锚固力明显减小,坡体会进入加速变形阶段,由锚索维系极限平衡状态的边坡存在变形总量控制。锚索在失效前所能承受的最大拉伸量,与锚索的荷载水平、可能的破坏方式及极限荷载的大小有很大的关系;对单根锚索,该值可以通过简单计算求取,但边坡进入加速阶段或失稳后,并不受单根锚索控制,而是全部锚索和加固结构的共同作用。单根锚索的失效不会导致坡体稳定性有明显变化,但一定数量的集中锚索逐步失效,则可能导致坡体失稳破坏。综合锚索结构的钢绞线强度、内锚段与外锚墩设计的安全指标,结合工程实践,在相应部位的锚索平均工作荷载实测值达到130%P~150%P时的边坡变形量反算指标,一定程度可以作为变形总量安全控制标准的量化参考。
3.变形速率
随着边坡变形的发展,自身抵抗变形的能力不断削弱,时间效应上变形速率相应增大。当变形速率大于某一允许值时,破坏开始。临界变形速率的确定,有赖于先进的理论体系和大量模型试验进行估计。变形速率安全控制标准的量化,可在总量控制基础上,考虑时间效应进行分解设定,这其中必须考虑工程及施工特点。(www.daowen.com)
4.综合评判
1)斋藤法
该法是根据大量的边(滑)坡位移-时间蠕变曲线总结出的一种经验方法。将位移-时间曲线大体分为初始蠕变、均速蠕变和加速蠕变三个阶段,并基于加速蠕变阶段的资料提出预报模型。预报由如下方程表示:
式中:ε、ε0分别为破坏时刻的位移和初始时刻的位移;tr、t0分别为破坏时刻和初始时刻;a为常数。
并按下式作图解预报:
因此强调,此法只对不受环境阻挡、无外力约束的崩塌性滑坡预报较准确。t0、t1、t2一般由位移-时间曲线加速蠕变阶段图给出。应当强调的是,此法只对不受环境阻挡、无外力约束的崩塌性滑坡预报较准确。
2)黄金分割法
黄金分割是指事物的发展,由始至末可以按0.618与0.382的比例分成两个时段,中间的分割点称为黄金分割点,其规律称为黄金分割原理。客观世界的许多现象都在一定程度上服从这一规律。滑坡预报黄金分割原理步骤如下:
(1)对变形成分进行分离,通常由基本成分和外部触发成分两部分组成。基本成分按系统本身规律发展;外部触发成分包括降水、温差、振动和人为活动等,又包括可逆与不可逆两部分,当在变形中包含不可逆成分时,需要进行分离。
(2)由分离后成分绘制光滑曲线,一般采用滑动平均法。
(3)在初始端向外作趋势延伸,确定形变开始时间。
(4)确定加速发展开始时间tb。
(5)确定破坏时间tc=tb/0.618。
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